道路工程中钢纤维混凝土的应用研究

刘张健

（菏泽鑫盛路桥公路工程有限公司，山东菏泽 274000）

0 引言

道路工程中常有对路面强度要求较高的工况，例如高速公路路面、高等级公路路面、桥梁路面、铁路沿线路面、机场跑道等，使用普通的混凝土难以满足此类工况对路面的性能要求。针对这种现象，各道路工程单位使用在普通混凝土中添加钢纤维掺料的方式，构成具有钢纤维特性的复合混凝土材料。相较于普通混凝土，钢纤维混凝土具有抗拉强度高、极限延伸率高的应用优势，并且能够保持出色的抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗阻裂性、耐疲劳性、高韧性等性能，对道路工程建设质量的提升具有重要的现实意义。

1 钢纤维混凝土性能试验

1.1 钢纤维混凝土对比试验配合比

研究采用对比试验的方式，对不同钢纤维掺量的混凝土进行性能试验，性能试验分为弯拉强度、抗冲击性、抗干缩开裂性和耐磨性四种，性能对比试验配比方案分为试验A～试验D，其中，试验A 中的钢纤维混凝土掺量为0kg/m3，其他试验方案中的钢纤维混凝土掺量分别为35kg/m3、45kg/m3、55kg/m3，具体配比方案如表1 所示[1]。

表1 性能对比试验配比方案

1.2 钢纤维混凝土性能

1.2.1 弯拉强度

将试验A～试验D 四种对比试验的混凝土静置28d 后进行弯拉强度试验，试验结果如表2 所示[2]。

表2 弯拉强度试验结果

根据表2 可以得知，混凝土的弯拉强度和钢纤维掺量成正比，无钢纤维添加的混凝土（试验A）弯拉强度最低，为5.67MPa；钢纤维添加最多的混凝土（试验D）弯拉强度最高，为7.53MPa。

1.2.2 抗冲击性

将试验A～试验D 四种混凝土统一切割成15cm×15cm×15cm 的正方体试件，并使用10kg 钢球从30cm 的高度对试件进行自由落体冲击，直至出现大于0.5cm 的裂缝，冲击次数即为试件的抗冲击强度，试验结果如表3 所示[3]。

表3 抗冲击性试验结果

根据表3 可以得知，混凝土的抗冲击性和钢纤维掺量成正比，无钢纤维添加的混凝土（试验A）抗冲击性最低，冲击次数为22 次，冲击强度提高倍数为1；钢纤维添加最多的混凝土（试验D）抗冲击性最高，冲击次数为107 次，冲击强度提高倍数为4.86。

1.2.3 抗干缩开裂性

将试验A～试验D 四种混凝土统一切割成20cm×20cm×5cm 的长方体试件，并使用碘弧灯强光和风扇强风加速试件水分流失，根据干缩开裂产生裂缝的时间、数量、长度来判断混凝土试件的抗干缩开裂性，试验结果如表4 所示[4]。

表4 抗干缩开裂性能试验结果

根据表4 可以得知，混凝土的抗干缩开裂性和钢纤维掺量成正比，无钢纤维添加的混凝土（试验A）抗干缩开裂性最低，第一条裂缝产生时间为3.38h，48h裂缝出现8 条裂缝，总长度为83cm；钢纤维添加最多的混凝土（试验D）抗干缩开裂性最高，第一条裂缝产生时间为7.91h，48h 裂缝出现3 条裂缝，总长度为19cm。

1.2.4 耐磨性

将试验A～试验D 四种混凝土统一切割成18cm×18cm×8cm 的长方体试件，并将试件放置在60℃烘箱中烘至恒重，通过水泥胶砂试验机对试件进行研磨，通过磨耗量判断试件的耐磨性，试验结果如表5 所示[5]。

表5 耐磨性试验结果

根据表5 可以得知，混凝土的耐磨性和钢纤维掺量成正比，无钢纤维添加的混凝土（试验A）耐磨性最低，磨耗量为5.94g/m2；钢纤维添加最多的混凝土（试验D）耐磨性最高，磨耗量为4.53g/m2。

2 工程实例

2.1 工程概况

山东省某高速公路建设工程，全长54km，双向四车道，设计速度为110km/h，其中包括长度约156m 的桥梁部分，对路面性能要求较高，需要使用钢纤维混凝土进行铺筑。要求钢纤维混凝土的抗折强度≥5MPa、抗压强度≥35MPa、使用寿命≥50 年。施工程序包括钢纤维混凝土配比、搅拌、运输、铺筑、振捣、碾压整平。

2.2 钢纤维混凝土配比

钢纤维混凝土配比的科学性对工程质量和工程成本控制至关重要，该工程在第三方商品混凝土公司进行钢纤维混凝土试配，通过表6 中钢纤维混凝土原料的不同配比方案，筛选出与工程实际情况契合度最高的方案，具体配比方案如表6 所示。

表6 第三方商品混凝土公司钢纤维混凝土配合比方案

根据表6 可以得知，该商品混凝土公司共计提出方案1～方案6 六种钢纤维混凝土配比方案，试配方向为控制水胶比为不变量，改变其他参数进行试配。基于工程节省水泥用量的需求，最终选择使用方案1进行配比。

2.3 搅拌

钢纤维混凝土一般采用间歇式拌和机，拌和能力约为130～280t/h，进而避免钢纤维结团和搅断，间歇式拌和机搅拌过程中应根据钢纤维混凝土的体积针对性改变搅拌温度、搅拌时间、间歇温度、间歇时间等关键参数。例如，该工程为了使钢纤维与混凝土充分拌和，将单次搅拌时间延长8s，用以提升钢纤维的分散程度；将投入掺和料、砂、粗集料等原料后增加拌和时间约15s，用以提升钢纤维和其他掺料的融合程度，避免在使用过程中出现局部沉淀的情况。此外，钢纤维混凝土的搅拌间歇阶段应有工人持续管控，避免钢筋混凝土在储料仓静置时间过长导致固结。

2.4 运输

钢纤维混凝土必须使用专用的混凝土自卸翻斗运输车进行运输，该工程的运输车承载量为15t。在装料前，应对运输车进行清洁，清洁后在运输车内壁均匀涂抹隔离剂，避免钢筋混凝土在运输过程中受到污染。此外，在运输过程中应重视钢纤维混凝土的防护和运输时间。一旦钢纤维混凝土超过初凝时间应立即采取措施，避免混凝土硬化在运输车内，具体运输时间限制表如表7 所示。

表7 运输时间限制表

2.5 铺筑

2.5.1 铺筑宽度

铺筑宽度需要根据摊铺机的作业方式决定，单摊铺机作业时，摊铺宽度应控制在7m 以内；双摊铺机作业时，摊铺宽度应控制在8.5m 以内；多摊铺机联合作业时，应当将摊铺机互相错开呈梯次施工，前后间距在2m 左右。

2.5.2 铺筑厚度

根据工程厚铺钢纤维混凝土的要求，铺筑厚度控制在3.15～5.25cm 之间。摊铺时尽量中途不停顿，如遇特殊情况必须暂时中止时，摊铺机必须保持运转，锁紧熨平板，使之不得下沉，停止振捣并开动熨平板加热器，及时清除及补料，防止因下基准面的高低变动影响铺筑厚度及平整度。

2.6 振捣

钢纤维混凝土的振捣需要操作人员保持插入的角度、速度和力度，尽量采取直上直下的振捣方式，并在振捣过程中观察混凝土的浮浆和气泡，以此判断振捣的时长。此外，振捣须保持连续性，避免因出现沉降现象导致钢纤维在混凝土中分布不均，并出现局部混凝土强度较低的现象。

2.7 碾压整平

钢纤维混凝土铺筑的路面可使用压路机进行碾压整平，该工程选择使用双轮双振式压路机，共计配备5 台，按照3km/h 的速度进行碾压。需要注意的是，压路机在碾压整平过程中不能掉头、不能改变行进方向、不能改变行车速度。常规状态下进行三次碾压整平即可，第一次应尽量减少喷水量，保持温度在135℃以上进行碾压；第二次可以将温度下降到120℃左右进行碾压；第三次可以将温度下降到100℃左右进行碾压，须使用静压方式，保证路面光滑。

3 结语

综上所述，对道路工程中钢纤维混凝土的应用展开研究，通过钢纤维混凝土性能对比试验，分析不同钢纤维掺量（0kg/m3、35kg/m3、45kg/m3、55kg/m3）的混凝土性能，验证混凝土试件的弯拉强度、抗冲击性、抗干缩开裂性、耐磨性均与钢纤维掺量成正比，钢纤维掺量越多，混凝土试件性能越好。结合山东省某高速公路道路工程实例，详细阐述钢纤维混凝土的配比、搅拌、运输、铺筑、振捣、碾压整平等一系列工序，为类似工况的钢纤维混凝土铺筑提供思路。